支链氨基酸调控机体糖代谢的研究进展

尹玉林，孙泽威*

（1.吉林农业大学动物科学技术学院，吉林长春130118；2.吉林农业大学动物营养与饲料科学重点实验室，吉林长春130118）

支链氨基酸（Branched-chain Amino Acids，BCAAs）是畜禽体内不能合成而必须从饲料中获得的必需氨基酸。BCAAs 也属于功能性氨基酸，能够促进蛋白质合成、提高机体免疫力和促进肠道发育等。在仔猪日粮中添加BCAAs 能够提高其肠道氨基酸转运蛋白的表达[1]，并促进肠上皮细胞表达防御素[2]。BCAAs 在机体的糖代谢过程中也发挥着重要作用。BCAAs 可以调节机体胰岛素的分泌和胰岛素敏感性，并调控组织中葡萄糖转运载体的表达，进而增强骨骼肌对葡萄糖的吸收和全身葡萄糖的氧化[3-4]。机体的糖代谢与脂质代谢和蛋白质代谢之间有着密切联系，明晰BCAAs 如何参与体内的糖代谢方式将给动物的营养调控提供重要的理论基础。因此，本文就BCAAs 在机体的代谢途径及其调控糖代谢的途径进行综述。

1 BCAAs 及其代谢

1.1 BCAAs 概述 亮氨酸（Leu）、异亮氨酸（Ile）和缬氨酸（Val）因分子结构上有1 个甲基侧链而被称之为BCAAs。Leu 是由Proust 在1819 年从奶酪 中 首次分离出来，之后由Braconnot 命名；Val 是由Group-Besanez 在1856 年从胰脏的浸提液中分离出来，而在1906 年由Fisher 命名；Ile 则是在1904 年由Ehrlich 从甜菜糖浆中分离出的[5]。BCAAs 是组织蛋白质的重要组成部分，其占骨骼肌必需氨基酸总量的35%。研究表明，BCAAs 可以缓解运动疲劳，增强运动能力，能够促进肌肉蛋白质的合成并抑制其降解[6]；并且对女性乳房健康、乳质以及胚胎发育也有着积极作用[7-8]。

1.2 BCAAs 的代谢 BCAAs 的氧化分解主要是在肌肉组织，肝脏是其初级分解产物支链α-酮酸的重要代谢器官。支链氨基酸转氨酶（BCATm）和α-支链酮酸脱氢酶复合体（BCKD）是BCAAs 代谢的2 种重要的酶。BCATm 包括BCAT1（存在于细胞质中）和BCAT2（存在于线粒体中），其主要在肌肉、肾脏和心脏中表达，在肝脏中几乎不表达[9]。BCKD（存在于线粒体中）是BCAAs 代谢中的限速酶，包括α- 支链酮酸脱羧酶（E1）、二氢硫基转移酶（E2）和二氢硫辛酰胺脱氢酶（E3）3 种酶，并且其在肝脏中高表达。α-支链酮酸脱氢酶激酶（BCKDK）和蛋白磷酸酶1K（PPM1K） 可使BCKD 磷酸化和去磷酸化，从而调节BCKD 的活性[10]。BCAAs 的代谢主要分为2 步，当BCAAs 在Na+依赖性氨基酸转运载体的转运下进入细胞后，首先其在BCATm 催化下去除氨基转化为相应的α- 酮酸；随后由BCATm 催化产生的支链α- 酮酸在BCKD 作用下进行氧化脱羧反应，生成相应的支链酰辅酶A 酯，而此步为BCAAs 代谢过程中的限速步骤且不可逆。除肝脏外，大多数外周组织中BCAAs 代谢的第一步是由BCAT2 催化的[9]。最后，它们在各自脱氢酶的作用下形成乙酰-COA 和琥珀酰-COA，进入三羧酸循环。

2 BCAAs 调控糖代谢的方式

长久以来，人们发现相对于正常个体，肥胖患者血液中几种必需氨基酸（包括BCAAs）含量升高[11]。直到2009 年，Newgard 等[12]利用综合代谢分析工具比较了肥胖人群和正常人群之间的代谢谱，发现BCAAs的分解代谢增加与肥胖相关。这是第一个直接的报告证明了BCAAs 与肥胖个体血清中代谢特征之间的关系。Xiao 等[13]研究发现，以单个BCAAs 剥夺的日粮饲喂小鼠，在葡萄糖耐受试验中，被饲喂Leu 或Ile 缺乏日粮的小鼠禁食过夜后，其血浆葡萄糖水平显著降低；而对小鼠连续饲喂Val 或Ile 缺乏的日粮7 d，小鼠表现出较低的空腹血糖水平。这些研究都表明BCAAs 与机体糖代谢有着密切联系。

2.1 调控机体胰岛素的分泌 胰岛素是由胰岛β 细胞受内源性或外源性物质（如葡萄糖、胰高血糖素等）刺激时分泌的一种蛋白质激素，并且是机体内唯一降低血糖的激素。血浆葡萄糖浓度是影响胰岛β 细胞分泌胰岛素的最重要因素，当血浆葡萄糖浓度过高时，高血糖会刺激胰岛β 细胞分泌胰岛素去促进组织细胞对葡萄糖的摄取和利用，并增加糖原的合成和抑制糖异生，从而降低血浆葡萄糖浓度[14]。有报道称，膳食蛋白质的缺乏会导致机体胰岛素分泌受损，并且膳食蛋白质的缺乏是通过减小胰岛的大小和减弱胰岛β 细胞的功能来减少胰岛素分泌[15-16]。然而，Horiuchi 等[17]研究发现，BCAAs的补充恢复了低蛋白日粮引起的小鼠胰岛素分泌减少，但仅补充1 种BCAAs 并不能使胰岛素分泌恢复到正常水平，而同时补充3 种BCAAs 可使低蛋白日粮小鼠的胰岛素恢复到正常水平。这表明BCAAs 是机体胰岛素释放所必须的，并且3 种BCAAs 有着很强的协同作用。这3 种BCAAs 的促胰岛素作用是通过迷走神经依赖性机制发挥作用的[17-19]。饮食中剥夺BCAAs 将降低机体胰岛素的分泌。小鼠食用Leu、Ile 和Val 剥夺的日粮2 h后，其胰岛素分泌量显著减少，而其他氨基酸剥夺对胰岛素分泌无影响[17]。与此一致，Guo 等[20]研究表明，小鼠日粮Leu 的缺乏导致其血清胰岛素水平下降3 倍。这些研究表明，BCAAs 对机体胰岛素的正常分泌以及糖稳态是必须的，而BCAAs 的剥夺将会影响机体胰岛素正常分泌，进而使得机体的糖代谢受损。

2.2 调节机体胰岛素敏感性 胰岛素抵抗（IR）是指骨骼肌、脂肪组织以及肝脏等胰岛素靶器官因某些病理性因素而出现的不能有效响应胰岛素作用的生理状态，即机体对胰岛素的敏感性降低。细胞表面的胰岛素受体（IRS）是胰岛素抵抗的核心部位，目前已经发现至少9 种IRS，其中IRS-1 和IRS-2 是与体内胰岛素信号通路有关的主要IRS。IRS 蛋白的异常降解、IRS 磷酸化异常及其在细胞内的异常分布均可导致IR 发生[21]。IR 和胰岛素异常分泌是二型糖尿病（T2DM）的2 个关键障碍，提高胰岛素敏感性是治疗T2DM 的关键步骤。体内研究表明[22]，BCAAs 与机体糖代谢和胰岛素敏感性密切相关，尤其是BCAAs 中的Leu。Zhang 等[23]研究发现，在维持高脂饮食的小鼠中，增加口服Leu 可以提高小鼠全身胰岛素敏感性，降低血浆中胰高血糖素和生糖氨基酸的含量，并下调肝葡萄糖-6- 磷酸酶的表达。然而，提高饮食中Leu 对机体胰岛素敏感性的影响是有争议的。一些研究表明，血清中Leu 的提高对机体胰岛素的敏感性没有影响[24]；而其他研究则显示，在肥胖患者和动物中，提高的血清Leu 水平将促进IR[12,25]。与此相反，饮食中BCAAs 的剥夺会增加机体胰岛素的敏感性。Xiao 等[13]研究发现，饲喂野生型小鼠Leu 缺乏的饮食7 d，其机体胰岛素敏感性提高，并且Val 和Ile 剥夺对于改善胰岛素敏感性和Leu相似。对于BCAAs 剥夺而提高机体胰岛素敏感性的可能机制，目前认为可能是通过抑制mTOR/S6K1 和激活AMPK 信号通路而发挥作用的[26]。众所周知，Leu是mTOR 通路的激活剂，而mTOR 的下游靶点S6K1激活会导致IRS-1 丝氨酸/ 苏氨酸残基的磷酸化，使得IRS-1 的活性降低而导致IR 发生，当Leu 被剥夺时，mTOR 信号通路被抑制而改善了机体胰岛素敏感性。但也有研究发现，补充Leu 后激活机体的mTOR 通路，但对机体的胰岛素敏感性没有影响[27]。而在Val 或Ile缺乏的小鼠肝脏中，mTOR 及下游靶标（P70S6K）的磷酸化被抑制，并且在Leu、Val 或Ile 剥夺的小鼠肝脏中发现AMPK 磷酸化增加[28]。AMPK 是细胞内重要的能量感受器，用于维持机体能量的稳态。它能通过直接磷酸化IRS-1 或磷酸化[29]mTOR 的上游抑制剂TSC2 而去调节机体胰岛素敏感性[30]，而BCAAs的剥夺可以激活AMPK 信号通路。然而，BCAAs 的剥夺是如何激活AMPK 的，目前还不清楚。当体内循环BCAAs 水平升高时会导致胰岛素抵抗，在肥胖患者和肥胖动物模型中，BCAAs 代谢过程中的BCKD 酶（主要是肌肉和肝脏）活性降低，从而导致机体循环BCAAs 水平升高。而升高的循环BCAAs 会通过干扰骨骼肌中的脂质氧化和激活mTOR 通路而导致胰岛素抵抗[9,31]。

2.3 调控葡萄糖转运载体的表达和易位 葡萄糖是生命活动的主要能源物质，对机体糖代谢和内环境的稳态有着极其重要的作用。葡萄糖不能直接进入细胞，必须通过相应的葡萄糖转运载体进行转运。葡萄糖转运载体可以分为2 类，一类是易化性葡萄糖转运载体（Na+非依赖性单糖转运载体，GLUTs），另一类是Na+依赖性葡萄糖转运载体（SGLTs）[32]。有报道指出，肥胖引起的T2DM，骨骼肌中GLUT1 和GLUT4 的表达下降[33-34]。因此，葡萄糖转运载体在维持体内糖稳态和人类代谢疾病中有着重要作用。

有研究证实BCAAs 能够强烈增强葡萄糖的消耗和利用，并且也证实BCAAs 通过激活或上调葡萄糖转运蛋白来增强葡萄糖的摄取。Nishitani 等[35]研究指出，Leu 通过上调大鼠肌肉中GLUT1 和GLUT4 的易位来增加葡萄糖摄取。同样，另一项研究报道，Leu 增强了C2C12 肌管细胞中GLUT4 的表达和2- 脱氧葡萄糖的摄取。张世海[36]也发现，Leu 可增强C2C12 肌管细胞中GLUT1 的表达和2- 脱氧葡萄糖的摄取。对于Leu 调节肌肉中葡萄糖转运蛋白的机制，科学家提出了以下2 种假设[26]：①Leu 通过上调胰岛素的水平增强GLUT1 和GLUT4 的易 位；②Leu 通过PI3K 和PKC信号通路来调控骨骼肌对葡萄糖的吸收，而这2 种通路都与GLUT4 的易位有关。与Leu 相比，Ile 的作用机制研究相对较少。Zhang 等[37]研究表明，对断奶仔猪喂食Ile 缺乏的饲粮会下调红肌中GLUT1 以及红肌、白肌和中间肌中GLUT4 的表达。Ile 缺乏的饲粮还会抑制十二指肠、空肠和回肠中葡萄糖转运载体SGLT-1以及十二指肠和空肠中GLUT2 的表达[37]。并且在C2C12 肌管细胞实验中也证实了Ile 在增强葡萄糖摄取和肌肉葡萄糖转运蛋白表达（GLUT1 和GLUT4）的功能[38]。

3 小 结

综上所述，BCAAs 与机体糖代谢之间有着密切的联系。然而，不同种类的BCAAs 参与调控机体糖代谢的途径不同。目前，对于Ile 的研究相对较少，并且Ile调控糖代谢的机制还不清楚。充分了解不同种BCAAs调控机体糖代谢的途径以及它们之间的协同作用，将对治疗肥胖、T2DM 以及动物的营养调控有重大意义。